Введение в черные дыры

Черные дыры - это объекты во вселенной с таким количеством массы, захваченным внутри их границ, что они имеют невероятно сильные гравитационные поля. На самом деле гравитационная сила черной дыры настолько сильна, что ничто не может вырваться из нее, как только она войдет внутрь. Даже свет не может вырваться из черной дыры, он заперт внутри вместе со звездами, газом и пылью. Большинство черных дыр во много раз превышает массу нашего Солнца, а самые тяжелые могут иметь миллионы солнечных масс.

Несмотря на всю эту массу, фактическая особенность, которая образует ядро ​​черной дыры, никогда не была видна или отображена. Это, как следует из слова, крошечная точка в пространстве, но у нее МНОГО массы. Астрономы могут изучать эти объекты только через их воздействие на материал, который их окружает. Материал вокруг черной дыры образует вращающийся диск, который находится за пределами области, называемой «горизонтом событий», которая является гравитационной точкой невозврата.

Основным «строительным блоком» черной дыры является особенность: точечная область пространства, которая содержит всю массу черной дыры. Вокруг него находится область космоса, из которой не может вырваться свет, дав название "черной дыре". Внешний «край» этого региона - это то, что формирует горизонт событий. Это невидимая граница, где притяжение гравитационного поля равно скорость света. Это также, где гравитация и скорость света сбалансированы.

Положение горизонта событий зависит от гравитационного притяжения черной дыры. Астрономы вычисляют местоположение горизонта событий вокруг черной дыры, используя уравнение R_s = 2GM / c². р радиус сингулярности, грамм это сила тяжести, M это масса, с это скорость света.

Существуют разные типы черных дыр, и они возникают по-разному. Наиболее распространенный тип известен как черная дыра звездной массы. Они содержат примерно в несколько раз больше массы нашего Солнца, и образуют, когда большие основная последовательность звезды (в 10-15 раз превышающие массу нашего Солнца) исчерпывают ядерное топливо в своих ядрах. Результатом является массивное взрыв сверхновой который взрывает внешние слои звезд в космос. То, что осталось позади, разрушается, чтобы создать черную дыру.

Два других типа черных дыр - сверхмассивные черные дыры (SMBH) и микро черные дыры. Один SMBH может содержать массу миллионов или миллиардов солнц. Микро черные дыры, как следует из их названия, очень крошечные. Возможно, они имеют только 20 микрограммов массы. В обоих случаях механизмы их создания не совсем понятны. Микро черные дыры существуют в теории, но не были обнаружены напрямую.

Установлено, что сверхмассивные черные дыры существуют в ядрах большинства галактик, и их происхождение до сих пор горячо обсуждается. Это возможно что сверхмассивные черные дыры являются результатом слияния меньших, черных дыр звездной массы и других иметь значение. Некоторые астрономы предполагают, что они могут быть созданы, когда коллапсирует одна очень массивная (в сотни раз больше массы Солнца) звезда. В любом случае, они достаточно массивны, чтобы по-разному влиять на галактику - от воздействия на скорость рождения звезд до орбит звезд и материалов в их непосредственной близости.

Микро черные дыры, с другой стороны, могут быть созданы во время столкновения двух частиц очень высокой энергии. Ученые предполагают, что это происходит постоянно в верхних слоях атмосферы Земли и, вероятно, происходит во время экспериментов по физике элементарных частиц в таких местах, как ЦЕРН.

Поскольку свет не может вырваться из области вокруг черной дыры, затронутой горизонтом событий, никто не сможет «увидеть» черную дыру. Однако астрономы могут измерить и охарактеризовать их по воздействию, которое они оказывают на свое окружение. Черные дыры, находящиеся рядом с другими объектами, оказывают на них гравитационное воздействие. Во-первых, масса также может быть определена по орбите материала вокруг черной дыры.

На практике астрономы определяют наличие черной дыры, изучая, как свет ведет себя вокруг нее. Черные дыры, как и все массивные объекты, имеют достаточное гравитационное притяжение, чтобы изгибать путь света, когда он проходит мимо. Поскольку звезды за черной дырой движутся относительно нее, испускаемый ими свет будет казаться искаженным, или звезды будут двигаться необычным образом. Из этой информации можно определить положение и массу черной дыры.

Это особенно очевидно в скоплениях галактик, где совокупная масса скоплений, их темная материя и их черные дыры создают странные формы дуг и колец изгибая свет более отдаленных объектов, когда он проходит мимо.

Астрономы также могут видеть черные дыры по излучению, которое излучает нагретый материал, например радио или рентгеновские лучи. Скорость этого материала также дает важные ключи к характеристикам черной дыры, из которой она пытается вырваться.

Последний способ, которым астрономы могли бы обнаружить черную дыру, - это механизм, известный как Излучение Хокинга. Назван в честь знаменитого физика-теоретика и космолога Стивен ХокингИзлучение Хокинга является следствием термодинамики, которая требует выхода энергии из черной дыры.

Основная идея состоит в том, что из-за естественных взаимодействий и флуктуаций в вакууме вещество будет создано в форме электрона и антиэлектрона (называемого позитроном). Когда это происходит вблизи горизонта событий, одна частица будет выброшена из черной дыры, а другая упадет в гравитационную яму.

Для наблюдателя все, что «видно», это частица, испускаемая из черной дыры. Частица будет рассматриваться как имеющая положительную энергию. По симметрии это означает, что частица, упавшая в черную дыру, будет иметь отрицательную энергию. В результате, когда черная дыра стареет, она теряет энергию и, следовательно, теряет массу (по известному уравнению Эйнштейна, E = MC², где Е= Энергия, M= масса и С это скорость света).

Отредактировано и обновлено Кэролин Коллинз Петерсен.